JP7450362B2 - 増幅器 - Google Patents

Description

本説明は、微小信号を増幅する増幅器に関する。

微小信号を増幅する増幅器として、従来からチョッパ増幅器が広く使用されている。図３は、従来のチョッパ増幅器を示すブロック図である。

従来のチョッパ増幅器は、入力信号Ｖｉｎをチョッパ変調する変調器２１と、１段目の増幅回路２２と、増幅された信号をチョッパ復調する復調器２３と、２段目の増幅回路２４と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５を備えている。

従来のチョッパ増幅器は、変調器２１で入力信号Ｖｉｎを周波数ｆｃでチョッパ変調し、復調器２３が増幅回路２２で増幅した信号を周波数ｆｃでチョッパ復調し、その信号差を増幅回路２４で増幅した後にＬＰＦ２５で高周波成分を取り除くことによって、低周波（１／ｆ）雑音のない増幅信号Ｖｏｕｔを得ることが出来る（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－２１６７０５号 図５

しかしながら、従来のチョッパ増幅器は、入力信号を変調する際に、変調器２１を構成するスイッチ（ＭＯＳトランジスタ）のクロックフィードスルーにより入力信号Ｖｉｎにノイズが相乗されて伝播し、増幅回路２４の出力電圧にスパイクノイズが混在する。また、従来のチョッパ増幅器は、増幅回路２２の入力誤差成分を除去するためにＬＰＦ２５が必要であり、ＬＰＦ２５の減衰効果を高めるためには抵抗と容量を大きくする必要があり、そのためチップサイズが増大する。

本願発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、チップサイズを増大させることなく、スイッチのクロックフィードスルーによるスパイクノイズを低減することが可能な増幅器を提供することを目的とする。

本発明の増幅器は、入力信号を変調して変調信号を出力する信号極性反転回路と、ＯＴＡで構成され、前記変調信号を増幅し電流を出力する増幅回路と、前記増幅回路が出力する電流を選択的にサンプルする単一のサンプル用コンデンサと、前記サンプル用コンデンサの電圧が転送されるホールド用コンデンサと、を有するサンプルホールド回路と、を備えた増幅器であって、前記増幅器は、第一の期間から第八の期間を一周期として動作し、前記信号極性反転回路は、第一、第二、第五、第六の期間に前記入力信号を反転せず、第三、第四、第七、第八の期間に前記入力信号を反転して、前記変調信号として出力し、前記サンプルホールド回路は、前記第二、第三、第五、第六の期間に前記サンプル用コンデンサに前記変調信号をサンプルし、前記第八の期間に前記サンプル用コンデンサの電圧を前記ホールド用コンデンサに転送する、ことを特徴とする。

本発明の増幅器によれば、増幅回路をＯＴＡで構成し、ＯＴＡが出力する電流をサンプルホールド回路でサンプリングして復調することで、チップサイズを増大させることなく、スイッチのクロックフィードスルーによるスパイクノイズを低減することが可能になる。

本実施形態の増幅器を示すブロック図である。 本実施形態の増幅器の動作を示すタイムチャートである。 従来のチョッパ増幅器を示すブロック図である。

図１は、本発明の実施形態の増幅器を示すブロック図である。

本実施形態の増幅器は、信号極性反転回路１１と、初段の増幅回路１２と、サンプルホールド回路１３と、２段目の増幅回路１４と、入力端子ＩＮ１及びＩＮ２、出力端子ＯＵＴ１及びＯＵＴ２を備えている。本実施形態の増幅器は、入力端子ＩＮ１及びＩＮ２間に入力された入力信号Ｖｉｎを増幅して、出力端子ＯＵＴ１及びＯＵＴ２間に出力信号Ｖｏｕｔとして出力する。

信号極性反転回路１１は、スイッチ１１１、１１２、１１３、１１４と、第一の入力端子、第二の入力端子、第一の出力端子、第二の出力端子を備えている。増幅回路１２は、Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＯＴＡ）で構成されている。サンプルホールド回路１３は、スイッチ１３１、１３２、１３３、１３４、１３６、１３７と、サンプル用のコンデンサ１３５と、ホールド用のコンデンサ１３８と、第一の入力端子、第二の入力端子、第一の出力端子、第二の出力端子を備えている。２段目の増幅回路１４は、完全差動増幅回路で構成されている。

信号極性反転回路１１は、第一の入力端子に入力端子ＩＮ１が接続され、第二の入力端子に入力端子ＩＮ２が接続されている。第一の入力端子は、スイッチ１１１を介して第一の出力端子に接続され、スイッチ１１３を介して第二の出力端子に接続されている。第二の入力端子は、スイッチ１１２を介して第二の出力端子に接続され、スイッチ１１４を介して第一の出力端子に接続されている。信号極性反転回路１１は、制御信号φ１、φ２に同期して、第一及び第二の入力端子に入力された信号を、第一及び第二の出力端子に切り替えて出力する。

増幅回路１２は、第一の入力端子に信号極性反転回路１１の第一の出力端子が接続され、第二の入力端子に信号極性反転回路１１の第二の出力端子が接続されている。増幅回路１２は、入力オフセット電圧を有し、例として第一の入力端子にオフセット電圧Ｖｏｓとして示す。

増幅回路１２は、第一の入力端子の電圧と第二の入力端子の電圧の差が正の場合、入力電圧差が大きいほどより大きい電流が第一の出力端子からソースされ、第二の出力端子からシンクされる。また、増幅回路１２は、第一の入力端子の電圧と第二の入力端子の電圧の差が負の場合、入力電圧差が大きいほどより大きい電流が第一の出力端子からシンクされ、第二の出力端子からソースされる。ここで、増幅器１２をＯＴＡで構成して出力信号を電流とすることで、図２に示す各期間の出力信号をコンデンサで容易に加減算することが可能になる。即ち、従来技術の復調器をサンプルホールド回路に置き換えることが可能になる。

サンプルホールド回路１３は、第一の入力端子に増幅回路１２の第一の出力端子が接続され、第二の入力端子に増幅回路１２の第二の出力端子が接続されている。第一の入力端子は、スイッチ１３１を介してコンデンサ１３５の一方の端子に接続され、スイッチ１３３を介してコンデンサ１３５の他方の端子に接続されている。第二の入力端子は、スイッチ１３４を介してコンデンサ１３５の一方の端子に接続され、スイッチ１３２を介してコンデンサ１３５の他方の端子に接続されている。コンデンサ１３５の一方の端子は、スイッチ１３６を介してコンデンサ１３８の一方の端子とサンプルホールド回路１３の第一の出力端子に接続されている。コンデンサ１３５の他方の端子は、スイッチ１３７を介してコンデンサ１３８の他方の端子とサンプルホールド回路１３の第二の出力端子に接続されている。

サンプルホールド回路１３は、制御信号φＡ及びφＢに同期して増幅回路１２が出力する電流をコンデンサ１３５に充電することによりサンプリングを行い、増幅回路１２の出力信号から混在する雑音成分を除去して、制御信号φＨに同期して出力する機能を有する。

増幅回路１４は、第一の入力端子にサンプルホールド回路１３の第一の出力端子が接続され、第二の入力端子にサンプルホールド回路１３の第二の出力端子が接続されている。

図２は、本実施形態の増幅器の動作を示すタイムチャートである。
増幅器の動作の一周期はｔ０からｔ８の期間であり、各期間の長さは同一（ΔＴ）である。入力信号Ｖｉｎは、制御信号φ１、φ２などの周波数と比較して十分低い周波数なので、図２ではほとんど直流電圧となっている。また、Ｖｃｍは、入力信号Ｖｉｎの動作点電圧である。

制御信号φ１は、期間ｔ０～ｔ２と期間ｔ４～ｔ６にＨレベル、期間ｔ２～ｔ４と期間ｔ６～ｔ８にＬレベルになる。制御信号φ２は、その逆のレベルである。従って、信号極性反転回路１１は、期間ｔ０～ｔ２と期間ｔ４～ｔ６に、第一の入力端子が第一の出力端子に接続され、第二の入力端子が第二の出力端子に接続され、期間ｔ２～ｔ４と期間ｔ６～ｔ８に、第一の入力端子が第二の出力端子に接続され、第二の入力端子が第一の出力端子に接続される。

信号極性反転回路１１が上述のように動作するので、その第一の出力端子と第二の出力端子の間の信号Ｖａは、動作点電圧Ｖｃｍを中心に、期間ｔ０～ｔ２と期間ｔ４～ｔ６は＋Ｖｉｎ、期間ｔ２～ｔ４と期間ｔ６～ｔ８は－Ｖｉｎの電圧値になる。即ち、信号極性反転回路１１は変調器であって、信号Ｖａは変調信号である。

増幅回路１２の第一の入力端子と第二の入力端子の間の入力電圧をＶｂとすると、入力電圧Ｖｂは電圧Ｖａに直流オフセット電圧Ｖｏｓが加わった電圧になる。即ち、期間ｔ０～ｔ２と期間ｔ４～ｔ６は＋Ｖｏｓ＋Ｖｉｎ、期間ｔ２～ｔ４と期間ｔ６～ｔ８は＋Ｖｏｓ－Ｖｉｎの電圧値になる。

ここで、増幅回路１２のトランスコンダクタンスをｇｍとすると、増幅回路１２の出力する電流は、期間ｔ０～ｔ２と期間ｔ４～ｔ６でｇｍ×（＋Ｖｏｓ＋Ｖｉｎ）、期間ｔ２～ｔ４と期間ｔ６～ｔ８でｇｍ×（＋Ｖｏｓ－Ｖｉｎ）になる。

サンプルホールド回路１３は、期間ｔ１～ｔ２において、制御信号φＡがＨレベルになるのでスイッチ１３１とスイッチ１３２がオンして、制御信号φＢがＬレベルなのでスイッチ１３３とスイッチ１３４がオフしている。即ち、第一の入力端子はスイッチ１３１を介してコンデンサ１３５の一方の端子に接続され、第二の入力端子はスイッチ１３２を介してコンデンサ１３５の他方の端子に接続される。

また、制御信号φＨがＬレベルなのでスイッチ１３６とスイッチ１３７はオフしている。即ち、コンデンサ１３８は、コンデンサ１３５と切り離されている。
従って、コンデンサ１３５は、増幅回路１２の出力する電流（ｇｍ×（＋Ｖｏｓ＋Ｖｉｎ））で時間ΔＴの間充電される。ｔ２の時点のコンデンサ１３５の電圧ＶＣｓｔ２は、コンデンサ１３５の容量をＣｓとすると式（１）で表される。

その後、期間ｔ２～ｔ３において、サンプルホールド回路１３は、増幅回路１２の出力する電流（ｇｍ×（＋Ｖｏｓ－Ｖｉｎ））でコンデンサ１３５が時間ΔＴの間充電される。従って、ｔ３の時点のコンデンサ１３５の電圧ＶＣｓｔ３は、式（２）で表される。

式（２）からわかるように、期間ｔ１～ｔ３において、コンデンサ１３５は、極性を反転した期間の入力電圧Ｖｉｎに基づく電流が加算されることにより、入力信号Ｖｉｎから分離したオフセット電圧Ｖｏｓに基づく電圧に充電される。

期間ｔ３～ｔ４において、制御信号φＡ、φＢともにＬレベルになるので、スイッチ１３１～スイッチ１３４が全てオフし、コンデンサ１３５は、式（２）の電圧を保持する。

ｔ４において、制御信号φＢがＨレベルになるので、スイッチ１３３とスイッチ１３４がオンする。即ち、コンデンサ１３５は、期間ｔ２～ｔ３とは逆に増幅回路１２の出力端子に接続される。

期間ｔ４からｔ６において、制御信号φ１はＨレベル、制御信号φ２はＬレベルになるので、増幅回路１２は電流（ｇｍ×（＋Ｖｏｓ＋Ｖｉｎ））を出力する。そして、スイッチ１３３とスイッチ１３４がオンしているので、コンデンサ１３５は、電流（ｇｍ×（＋Ｖｏｓ＋Ｖｉｎ））で時間２ΔＴの間放電される。

従って、ｔ６の時点のコンデンサ１３５の電圧ＶＣｓｔ６は、式（３）で表される。

式（３）に示すように、サンプルホールド回路１３は、期間ｔ１からｔ６の動作によって、増幅回路１２の出力信号から雑音成分を除去し、入力信号Ｖｉｎ成分の増幅信号のみを抽出することを実現している。

期間ｔ６～ｔ７において、制御信号φＡ、φＢともにＬレベルになるので、スイッチ１３１～スイッチ１３４が全てオフし、コンデンサ１３５は、式（３）の電圧を保持する。

ｔ７において、制御信号φＨがＨレベルになるので、スイッチ１３６とスイッチ１３７がオンする。即ち、コンデンサ１３５の電圧は、コンデンサ１３８に転送され、増幅回路１４を介して増幅器の出力端子ＯＵＴ１及びＯＵＴ２に出力信号Ｖｏｕｔとして出力される。

ｔ８において、制御信号φＨがＬレベルになるので、スイッチ１３６とスイッチ１３７がオフして、一連の動作を終了する。そして、この動作を繰り返すことによって、本実施形態の増幅器は、入力信号Ｖｉｎを増幅して低雑音の出力信号Ｖｏｕｔを出力する。

以上説明したように、本実施形態の増幅器は、ＯＴＡで構成した初段の増幅回路１２と、サンプルホールド回路１３を備えたので、信号極性反転回路１１を構成するスイッチ（ＭＯＳトランジスタ）のクロックフィードスルーによるスパイクノイズは、後段の増幅回路１４に伝搬しない。従って、増幅回路１４の後にＬＰＦを必要としないので、チップサイズが増大することはない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、増幅回路１２や増幅回路１４の入力端子と出力端子の極性は適宜設計されてよい。また例えば、増幅回路１４は、必要がなければ省略しても良い。

１１ 信号極性反転回路
１２ 初段の増幅回路（ＯＴＡ）
１３ サンプルホールド回路
１４ ２段目の増幅回路

Claims (2)

1. 入力信号を変調して変調信号を出力する信号極性反転回路と、
   ＯＴＡで構成され、前記変調信号を増幅し電流を出力する増幅回路と、
   前記増幅回路が出力する電流を選択的にサンプルする単一のサンプル用コンデンサと、前記サンプル用コンデンサの電圧が転送されるホールド用コンデンサと、を有するサンプルホールド回路と、
   を備えた増幅器であって、
   前記増幅器は、第一の期間から第八の期間を一周期として動作し、
   前記信号極性反転回路は、第一、第二、第五、第六の期間に前記入力信号を反転せず、第三、第四、第七、第八の期間に前記入力信号を反転して、前記変調信号として出力し、
   前記サンプルホールド回路は、前記第二、第三、第五、第六の期間に前記サンプル用コンデンサに前記変調信号をサンプルし、前記第八の期間に前記サンプル用コンデンサの電圧を前記ホールド用コンデンサに転送する、
   ことを特徴とする増幅器。
2. 前記信号極性反転回路は、前記入力信号を第一の制御信号と第二の制御信号によって変調し、
   前記サンプルホールド回路は、前記増幅回路が出力する電流を第三の制御信号と第四の制御信号によって選択的に前記サンプル用コンデンサにサンプルし、第五の制御信号によって前記サンプル用コンデンサの電圧をホールド用コンデンサに転送する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の増幅器。